[論文レビュー] Probing the neutron star interior and the Equation of State of cold dense matter with the SKA

Anna L. Watts, Renxin Xu+16 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 4被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、特に第1フェーズおよび第2フェーズの構成を有する電波望遠鏡であるSquare Kilometre Array（SKA）が、中性子星（NS）の質量、慣性モーメント、スピン周波数を画期的な精度で測定可能になると提案している。これにより、冷たい高密度物質の状態方程式（EOS）を調べ、高周期タイミングによる超流動性の検証が可能となる。SKAの感度と広視野特性のおかげで、微小なグルーチングの検出が可能となり、多数のミリ秒パルサーの監視によってEOSモデルの制約が強化される。

ABSTRACT

With an average density higher than the nuclear density, neutron stars (NS) provide a unique test-ground for nuclear physics, quantum chromodynamics (QCD), and nuclear superfluidity. Determination of the fundamental interactions that govern matter under such extreme conditions is one of the major unsolved problems of modern physics, and -- since it is impossible to replicate these conditions on Earth -- a major scientific motivation for SKA. The most stringent observational constraints come from measurements of NS bulk properties: each model for the microscopic behaviour of matter predicts a specific density-pressure relation (its `Equation of state', EOS). This generates a unique mass-radius relation which predicts a characteristic radius for a large range of masses and a maximum mass above which NS collapse to black holes. It also uniquely predicts other bulk quantities, like maximum spin frequency and moment of inertia. The SKA, in Phase 1 and particularly in Phase 2 will, thanks to the exquisite timing precision enabled by its raw sensitivity, and surveys that dramatically increase the number of sources: 1) Provide many more precise NS mass measurements (high mass NS measurements are particularly important for ruling out EOS models); 2) Allow the measurement of the NS moment of inertia in highly relativistic binaries such as the Double Pulsar; 3) Greatly increase the number of fast-spinning NS, with the potential discovery of spin frequencies above those allowed by some EOS models; 4) Improve our knowledge of new classes of binary pulsars such as black widows and redbacks (which may be massive as a class) through sensitive broad-band radio observations; and 5) Improve our understanding of dense matter superfluidity and the state of matter in the interior through the study of rotational glitches, provided that an ad-hoc campaign is developed.

研究の動機と目的

• 正確な天体物理学的測定を用いて、中性子星内部の冷たい高密度物質の状態方程式（EOS）を調査すること。
• 地球上では入手できない極限的条件下での核物理学および量子色力学（QCD）を検証すること。
• 回転グルーチングのモニタリングを通じて、中性子星コア内の超流動性および超伝導性を制約すること。
• SKAの向上した感度と調査深度を活用して、最大中性子星質量、半径、スピン周波数の制約を強化すること。
• ブラック・ワイドウやレッドバックといった新しいタイプの連星パルサーを発見・特徴づけることにより、高密度物質の振る舞いを解明すること。

提案手法

• ミリ秒パルサー（MSP）の高精度タイミングをSKA第1フェーズおよび第2フェーズで活用し、質量、慣性モーメント、スピン周波数を測定する。
• SKAの広視野と複数のタイド・アレイビームを活用して、数百個のパルサーを毎日またはほぼ毎日モニタリング可能にする。
• 1日1回の高頻度観測（例：1日1回）を用いて、スピンダウン率の段階的変化が10⁻¹⁵ Hz s⁻¹未満の微小グルーチングを検出する。
• 特にSKA1-LOWを用いて多周波数観測により dispersion measure（DM）の変動を補正する。
• タイミングノイズとTOA精度のモデル化を通じて、さまざまな観測頻度および信噪比条件下でのグルーチング検出限界を評価する。
• 高感度と長基線タイミングキャンペーン（10年以上）の組み合わせにより、グルーチング後の回復過程を追跡し、包括的なグルーチングサイズ分布を構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKAは、正確な質量および半径測定を通じて、中性子星の状態方程式（EOS）に対する制約をどのように改善できるか？
• RQ2 SKAが計画する観測頻度下で、微小グルーチング（Δν̇ < 10⁻¹⁵ Hz s⁻¹）の検出限界はどの程度か？
• RQ3 SKAは、ミリ秒パルサーのグルーチングにおけるスピンダウン率の段階的変化を十分な精度で解明可能であり、超流動ダイナミクスの解明に寄与できるか？
• RQ4 ダブルパルサーのような連星系におけるパルサーの高頻度観測は、慣性モーメント測定をどのように向上させるか？
• RQ5 ブラック・ワイドウおよびレッドバックパルサーのSKAサーベイは、高密度物質の質量関係およびEOS制約をどの程度まで明らかにできるか？

主な発見

• SKAの14日間の観測頻度では、|Δν̇| > 1×10⁻¹⁵ Hz s⁻¹ のグルーチングの検出が可能だが、毎日観測することではるかに広いパラメータ空間にアクセス可能となる。
• 5×10⁻⁵ 回転（P=0.1 sの場合で約5×10³ ns に相当）のタイミング精度を持つSKAでは、|Δν̇| が約10⁻¹⁵ Hz s⁻¹ まで検出可能となる。
• 高頻度モニタリングを適用すれば、1000年に1回未満の平均発生率のパルサーにおいても、グルーチングを検出可能と予想される。
• SKA1-LOWシステムは、広視野と多数のビームを有するため、多数のパルサーを毎日モニタリング可能となり、グルーチング統計の向上が見込まれる。
• 高頻度観測により、グルーチング後の回復過程を完全に追跡し、包括的なグルーチングサイズ分布の構築が可能となる。
• SKAは、グルーチング現象を通じて超流動性および中性子星内部ダイナミクスを研究するための、最初の高精度で大規模なパルサー標本を提供するものと期待される。